基于CAT蓄电池储能的电动汽车充电器对电力系统网络谐波特征的影响、当前情景及未来范围

在配电网络中集成基于蓄电池的电动汽车（EV）充电器可能导致电压波动、线电流谐波产生以及相位失衡等多种电力质量问题。谐波的产生会在配电系统中引发各种不良影响，如电池健康状况恶化、电池加速老化、配电系统中的电力损失，以及影响配电系统中充电器容量。随着系统中基于电池储能的电动汽车充电器数量增加，谐波问题变得更加严重。在最坏的情况下，谐波的产生可能导致谐波不稳定。本文详细讨论了用于车载和车载电动车充电器的各种变换器拓扑结构（非受控或非控制），并包括这些拓扑在不同功率水平下对THD的定量分析。讨论了谐波的成因、定量评估以及实际电路中谐波的局限。此外，谐波导致电网承载电动车容量下降。详细讨论了用于评估系统主机容量的方法，包括栅极电流的THD曲线和共耦合点（PCC）处的电压。还讨论了因电动车在充电站（EVCS）之间连接而导致配电系统中谐波传播的定量分析。重点介绍了电动汽车充电器电池充电曲线对配电系统电网电流的 THD 曲线的影响。此外，还包括用于评估电力系统中谐波传播的先进技术 ，包括多电磁电交换机和非线性负载。书中介绍了用于检测和补偿电力系统网络中谐波的先进技术，并强调了这些技术在不同功率水平下的优缺点、局限性和THD贡献。详细讨论了因电动车分布式连接而产生的储能池所提供的各种服务。讨论了谐波对电力系统各元件的影响以及可能的解决方案以最大限度减少谐波影响。此外，未来工作范围讨论了提升系统功率质量的技术。

简介

电能是其产生、输电、配电和利用方面最便捷的能源形式。可再生和不可再生能源主要用于发电。全球非可再生能源在电力生产中的贡献为78.5%[1]。这些资源主要使用化石燃料，如煤炭、天然气、燃料油等。燃烧化石燃料发电会导致二氧化碳、甲烷和一氧化二氮气体的排放[2,3]。交通部门对温室气体排放的贡献为14%[4,5]。这些气体的排放助长了温室效应，而温室效应是全球变暖的根源。通过近年来的数据分析和科学评估，得出结论认为全球变暖是气候行为快速变化的原因[3]。因此，电动汽车在交通运输领域被视为减少碳足迹的关键选择。受电动汽车带来的商业机会激励，预计到2030年底，美国、日本和中国的电动汽车用户将达到1200万，总收入将达到65亿美元[6]。各国政府设定了到2050年实现净零排放的目标[7]。然而，大量电动汽车充电桩渗透到现有电网可能会带来各种电力质量问题[8]。
将基于电池储能的电动汽车整合进现有电网会带来各种问题，如频率偏差[9]、电压偏差[10,11]以及如谐波产生[12]、相位失衡[13]等电力质量问题，如图1所示。电压和频率偏差是由于负载所需的电力与电源产生的功率不匹配所致[14]。相位失衡是由单相电动汽车充电器随机分布在三相系统的不同相位上造成的[15]。谐波被认为是由于非线性负载导致电压和电流波形偏离纯正弦波形的现象[16]。电动汽车充电器是非线性电力电子转换器。因此，这些转换器会导致栅极电压和线路电流产生谐波。上述电力质量问题非常严重，如果不加以补偿，可能会影响特定电力系统网络的正常运行。然而，本文本研究仅限于电动汽车充电器穿透对电网电压和线路电流谐波谱的影响。
谐波的主要来源是非线性负载，它们从栅极中抽取谐波电流。电动汽车充电器通过电力电子转换器与电网接口，这些变换器被视为非线性负载，会导致线路电流和PCC电压的谐波污染[17]。配电网络电动汽车充电器在电网中产生的谐波在文献中有充分讨论 [[18]， [19]， [20]]。此外，基于电力电子变流器的可再生能源渗透也促进了公用电网中的谐波产生。这种变换接口可再生能源和非线性负载的随机分布和随机切换，导致电力系统网络中产生随机谐波 [[21]， [22]， [23]]。谐波可能对电池、电缆、配电变压器等多种电力系统元件的健康产生不良影响。因此，对这些谐波进行定量评估变得必要，评估参数在[24,25]中进行了讨论。还需要明确工业设备、数据中心、商业建筑、可再生能源系统等各种负载中谐波的精确界限[[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]]。
文献中讨论了电动汽车充电器中使用的多种转换器拓扑结构。根据输出电压，这些充电器大致分为非控制和受控两种。基于二极管的电动汽车充电器是非控制充电器，见[[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]]。单相四脉冲、三相六脉冲和三相十二脉冲基于桥式电充电器的定量分析收录在[[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]]中，针对不同栅极电压的多重电镀充电器。基于二极管的交流-直流转换器因结构简单、可靠性更高且成本更低而被预削流[41]。然而，基于二极管桥式的电动汽车充电器的输出电压无法被控制。为了控制电动汽车充电器的输出电压，优先使用受控整流器。用于电动车控制充电的转换器分为：（i）基于SCR的充电器和（ii）基于功率因数校正（PFC）的充电器。由于输出电压控制的灵活性，基于SCR的充电器相较于基于二极管的整流器更受青睐。基于SCR的12、18和24脉冲电动车充电器见[[42]， [43]， [44]]。此外，使用多脉冲SCR整流器显著降低输出电压和电流中存在的低频波纹幅度。然而，基于SCR的电动车充电器在控制SCR点火的技术复杂性上存在限制。此外，基于SCR的电动车充电器在轻负载条件下以低功率因数角度工作[45]。为控制输入电源的功率因数角，建议采用降压[[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]、[54]、[55]、[56]、[57]、[58]]、维也纳[[59]、[60]、[61]、[62]、[63]、[64]、[65]、[66]、[67]]以及瑞士基于整流器的[[68]、[69]、[70]、[71]]电动车充电器配置，包括EV充电器前级带有G2V功能的三相桥式整流器。为提供系统辅助服务，如有功功率调节、无功功率补偿、负载需求的峰值削减和填补、频率和电压调节、栅极电流谐波补偿、系统可靠性、稳定性和效率的提升，优先采用三相PWM升压变换器EV充电器的双向配置，具备G2V和V2G功能。基于双向三相PWM升压变换器的电动充电器建议见[41，[72]、[73]、[74]、[75]、[76]]，包含零电压开关（ZVS）则见[77]。基于维也纳转换器的电动车充电器的双向配置包含在[[78]、[79]、[80]、[81]]。本文重点阐述了这些拓扑的各自优势和局限性。还包括上述拓扑在不同幂级下对THD的定量评估。
基于直流变换器的单向充电器中PFC常用的控制方案包括平均电流控制[82,83]、输入电压前馈[84]、电流程序控制[85,86]、滞后控制和临界导电模式控制[[87]、[88]、[89]]、滑动模式控制[90]、电荷控制[91]和非线性载波控制[92,93]。为了控制三相升压变换器的双向工作，矢量控制技术被广泛用于三相六开关升压PWM变换器的控制[[94]， [95]， [96]， [97]， [98]， [99]]。然而，当转换器参数变化和外部干扰时，PI控制器的性能会下降。为了最小化变换器参数变化和外部扰动的影响，广泛采用了非线性控制技术，如滞后控制、滑动模式控制、非线性载波控制，分别见[[87]、[88]、[89]、[90]、[91]、[92]、[93]]。然而，与线性控制技术相比，数字信号处理器（DSP）上的非线性技术实际实现较为困难。
标准SAE J1772[100]将电动车充电器分为两类：车载充电器[101,102]和车载外充电器[103,104]，文献中有充分讨论。前者中，充电器内置于电动车内，而后者则集成在充电站内，用于为电动汽车充电。车外充电器通常是直流充电器，用于快速（480 V，50 kW）、超快（480 V，150 kW）和超快充（800 V，400 kW）电动车[103,104]。交流电1级车载充电器采用单相电源，属于慢速充电器;而交流电2级和3级车载充电器则需要三相交流输入电源，属于快速充电器[101,102]。此外，车载和车载外充电器可分为单级和两级[105]。板上或板外充电器产生的谐波取决于这些充电器所用转换器的类型。单级充电器用于低功耗应用。对于两级电动汽车充电器，前端变换器是交流-直流转换器，后端变换器是直流-直流转换器[106]。两级电动汽车充电器的谐波贡献由前端变换器拉取的谐波电流决定。根据车载[[107]、[108]、[109]、[110]、[111]、[112]]和车载[113,114]充电器的优缺点，需要开展研究以开发能够在更高功率额定下改善线路电流THD特性并减少组件数量的车载电动汽车充电器。在车外充电器中，需要设计车外电动车拓扑结构，以在轻负载条件下提供高效率。
线路电流的 THD 直接受电动汽车电池充电曲线的影响。文献中讨论的常用充电技术包括恒流（CC）、多级恒流（MSCC）和恒流-恒压（CCCV）充电模式。线路电流与充电模式的THD之间的定量关系在[8]中有详细讨论。在恒流（CC）充电模式下，线路中的THD电流保持恒定，而在CV模式下由于充电电流大小的减小而大幅下降。对于单台电动车、两台电动车和三台电动车在各 EVCS 上连接，很容易找到最终的线路 THD 电流和 PCC 电压 [8,115,116]。文献中最常报道的谐波聚合技术是矢量和技术，即通过单个谐波的向量和来评估 THD [117,118]。然而，由于电动汽车充电器聚集，对配电系统中谐波传播的评估变得困难。此外，在分布系统不同点的随机分布中，谐波相互作用变得更加复杂。文献中提出了多种用于评估功率系统中谐波传播的技术，如基于测量的聚合[8,115,116]、谐波向量和[117,118]、谐波功率流分析[119,120]、频率耦合矩阵（FCM）方法[121]、概率和统计方法[122]以及机器学习或数据驱动聚合[123,124]。根据不同的母线电压和线路电流，在大型电力系统中产生大量数据。然而，由于机器学习或数据驱动方法具有卓越的大数据处理能力，这些方法被广泛用于估算电力系统中的谐波聚合，相较于其他方法。根据作者目前掌握的最佳知识，关于使用数据驱动方法进行谐波聚合的文献非常有限。要探索这一领域需要大量研究。
根据IEEE标准519-1992[125]，电动汽车充电器的THD应限制在5%。电动车在现有电力系统网络中的广泛渗透可能导致谐波推荐限值的违反。因此，电动车电力系统网络的托管容量也可能减少。电动汽车的承载能力指的是电网中每个馈线节点在不超出运营限制的情况下，能够容纳的最大电动汽车负载数量[126]。如果满足诸如配电变压器过载、馈线过载以及电压幅度偏差（电压和超电压相对于标称电压）等关键参数或约束条件，负载不平衡/电压不平衡[127]都被满足，则使用电动汽车充电电流和母线电压的谐波曲线[128]进行托管容量评估。文献中提出了多种技术，用于评估电力系统网络的托管容量，结合电动汽车充电器所拉取的母线电压和充电电流的谐波分布，如确定性[129]、概率性[[130]、[131]、[132]、[133]]、混合[128]和基于优化的方法[134]。充电器的充电曲线、其在充电器位置及不确定性不被视为确定性方法[129]，因此该方法产生的结果准确度较低。概率方法[[130]， [131]， [132]， [133]]考虑上述因素。然而，与确定性方法相比，该方法需要更多资源信息。为简化评估EVHC的分析，采用了混合方法[128]，包括确定性和概率性方法。然而，建议的方法需要先获得有功功率、功率因数、谐波阶数和相角等初始信息，以执行分布函数的随机仿真。为了减少对上述因素初始信息的需求，[134]采用了基于优化的方法。然而，随着配电系统规模的增大，该方法的复杂性也随之增加。此外，这些方法在文献中讨论不足。该领域未来研究空间巨大。
为了最大限度地减少谐波带来的负面影响，采用谐波补偿技术。这些技术可以分为被动和主动补偿技术。在第一种中，被动功率滤波器包括电感和电容等被动元件，用于滤除主谐波。对于具有已知谐波分布的大非线性负载，调谐滤波器作为高通滤波器用于滤除低阶谐波 [[135]， [136]， [137]]。LCL滤波器中包含的各种被动阻尼方法变体见[[138]， [139]， [140]， [141]， [142]， [143]， [144]， [145]]。然而，被动滤波器存在多种局限性。被动滤波器调谐为单一频率，无法在频率变化的环境中使用[146]。源阻抗与被动功率滤波器的相互作用可能导致谐振[147,148]。谐波电流可能会被放大。最坏情况下，可能导致电力系统网络运行不稳定[149]。通过在被动滤波器中使用阻尼布置（通过添加外部电阻元件）可以避免这种情况。然而，被动滤波会导致滤波器体积增加，系统效率下降 [148,150]。
为解决上述无源滤波器相关问题，采用基于有源补偿的功率滤波器来改善电动汽车充电器的谐波特性。这可以通过与电动汽车充电器并联连接外部有源电源滤波器（APF）来实现 [111，[151]，[152]，[153]，[153]，[154]，[155]]，或者在 V2G 模式下将电动汽车充电器作为 APF 运行。有源功率滤波器产生的补偿电流大小相同但相位相反，这些电流与电动汽车充电器产生的谐波分量相同。通过将这些补偿电流叠加到负载电流上，谐波含量被降低，从而提升功率质量[159]。各种单相[[160]、[161]、[162]、[163]、[164]、[165]、[166]、[167]]和三相[[168]、[169]、[170]、[171]、[172]]配置的APF配置，包括用于最小化THD线路电流和PCC电压的线性和非线性控制器，均与电动汽车充电器并联连接。此外，[111，[173]、[174]、[175]、[176]、[177]、[178]、[179]]中建议的各种修改过的交流-直流变换器拓扑，用于单相和三相配置的车载和板外电动车充电器，以改善充电器电流的THD特性。上述APF配置对THD的定量分析也包括在内。本文涵盖了这些APF的优缺点。
对于单相电动汽车充电器，输出直流电压中的二阶谐波会导致电容器尺寸增加，从而降低充电器的功率密度。为了解决这个问题，文献中建议采用多种功率解耦技术来补偿第二谐波分量。这些技术主要包括线性非线性控制器 [[180]， [181]， [182]， [183]， [184]， [185]] 以及外部设备 [[186]， [187]， [188]， [189]， [190]， [191]， [192]， [193]， [194]]。本文重点阐述了这些二次谐波补偿器的各自优点和局限性。
在进行谐波补偿时，必须准确估计各种频率的谐波分量。此外，相量谐波估计是确保配电网络的监测、控制和保护的必要条件[195]。采用了多种谐波检测技术，如锁相环（PLL）[[196]、[197]、[198]、[199]、[200]、[201]、[202]、[203]、[204]、[205]]、离散傅里叶变换（DFT）[[206]、[207]、[208]、[209]、[210]]、离散小波变换（DWT）[[211]、[212]、[213]、[214]、[215]、[216]、[217]]]的基于技术。然而，由于电动汽车充电电流中存在谐波间谐波和随机谐波，谐波检测技术的性能正在下降。在电力系统中，由于变换接口可再生能源和非线性负载的随机分配和随机切换，产生了兰登谐波[[21]， [22]， [23]]。然而，基于机器学习的技术被认为是检测电动汽车充电电流中存在的谐波、互谐波和随机频率成分的良好选择。利用机器学习模型评估谐波的各个组成部分，并以最高精度以及降低偏置和不变性，在电力系统中非常重要[218]。文献中关于这一问题的研究报道非常有限。对于机器学习技术来说，准确性和检测谐波所需的时间都是重要参数。在推理时间与机器学习技术的准确性之间存在权衡[219]。推断时间指的是估计器处理新输入并产生输出所需的时间[220]。研究存在差异，这两类技术需要较少的推断，但调和估计的最终结果更准确。需要大量研究来填补这一空白。
电动汽车充电器的集成导致配电系统产生谐波，严重影响各种电力系统元件的性能，如互连电缆[12,18,221]、配电变压器[12]、断路器和保险丝[12]、电子设备[222]、滤波电容[[223]、[224]、[225]、[226]、[227]]以及电动汽车电池[228,229]。谐波导致皮肤效应和邻近效应增强，可能导致互连电缆和变压器的降额。然而，很少有文献讨论降额值及其计算方法[230]。系统中的谐波会影响断路器和保险丝等保护设备的过流中断能力。供电电流中的谐波存在可能导致电子设备严重的电磁兼容性（EMC）问题。谐波会对多电平逆变器中包含的开关、二极管和电容器产生额外的加热和应力，从而降低整体效率[231]。电动车电池，无论是铅酸电池还是锂离子电池，都是电动汽车最重要的部分。低阶谐波导致内阻[235]、温度[236]、过大应力[237]以及电池效率[238]和放电容量[232]的降低。这些参数的显著变化会导致电池加速老化和电池健康状况的退化。未来仍有充分的研究空间，开发老化模型，考虑谐波的影响，并探索高阶谐波对电池健康退化的影响。
安装在电动汽车中的电池因大量电动汽车在配电系统各点连接而形成的储能池[239]。车辆到所有（V2X）是一种电动汽车的运行模式，被认为是高效利用分布式储能池的良好选择，通过为配电系统或公用事业提供各种辅助服务[75]。电动汽车的V2X运行模式包括多种模式，如车对网（V2G）、车对网（V4G）、车对车（V2V）、车对车（V2H）和车载（V2L）模式[163,113,240]。这些模式的目标是为公用事业公司提供多种服务，如无功功率支持[13,14,170,241]用于电压调节、削减峰值和填补负载需求谷[242,243]、电网电流中谐波的补偿[244,153]、可再生能源发电不确定性最小化[[245]、[246]、[247]]、频率有功功率支持[[248]、[249]、[250]]调节[[251]， [252]， [253]]，系统可靠性、稳定性和效率的提升 [254]。在过去十年中，学者们报告的研究与快速、超快和超快充电器的发展相关[163]。然而，关于利用V2X功能报告分布式储能池的有效和高效利用方面存在研究空白。因此，未来在高效利用电动汽车V2X功能所创建的存储池方面还有很大的空间[113]。
从上述讨论中可以观察到，文献中报告了若干因连接现有电力系统网络的电动汽车充电器产生的谐波问题。论文中努力强调了当前谐波问题的现状、挑战以及用于解决电动汽车充电器及其解决方案的先进技术。在讨论谐波的各个方面时，会梳理文献中存在的研究空白，并强调未来填补这一空白的研究范围。本文对正在研究现有电力系统中泛谐问题的读者可能有益且非常有趣。
论文的主要亮点如下：

• 1.
  书中详细讨论了原因、评估技术以及各种负载中谐波的极限。
• 2.
  书中包含了电动汽车充电器（板载或车载外）中使用的先进转换器拓扑结构，以及这些拓扑在不同功率水平下产生的多层变换（THD）。
• 3.
  讨论了用于评估配电系统中因电车聚所引起的谐波传播的各种技术。
• 4.
  用于评估网络托管电动汽车充电器容量的方法也包括在内。
• 5.
  书中包含用于检测和补偿谐波的先进技术及其优缺点。
• 6.
  突出了由谐波及其解法带来的挑战。
• 7.
  未来电动汽车充电器的展望也进一步展开。

论文大纲如下：第二部分讨论了原因、用于谐波定量评估的参数以及负载的THD极限。第三部分全面审查了车载和车载充电器中使用的转换器拓扑结构。第四部分包括由于电动车在充电站间连接而导致配电系统中的谐波传播。谐波对电力系统网络主机容量的影响见第五节。用于补偿系统中谐波的技术见第六节。第七节讨论了用于检测谐波的先进技术。泛音带来的挑战及其解法在第八节讨论。第九部分讨论了储能对配电系统的影响，第十部分讨论了未来潜在的研究领域。第十一部分最终结束了本文。